La termodinámica dice que toda energía se convertirá en algún momento en energía térmica. Si utiliza 1kWh de energía eléctrica para hacer funcionar una computadora, emitirá 1kWh de calor.
Astrid Wynne de TechBuyer lo explicó así en un artículo de 2022 : “La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de conservación de la energía, establece que la energía no se puede crear ni destruir, sino que cambia de una forma a otra. La energía eléctrica que los centros de datos consumen a través de los servidores se convierte casi en su totalidad en calor. La generación de datos es un subproducto de esto, pero representa menos del 0,1 por ciento de la conversión”.
Para el ingeniero del centro de datos, eso es un problema, porque ese calor debe eliminarse o el equipo se sobrecalentará.
Para el urbanista, esto es una oportunidad. La comunidad quiere ese calor.
Usa tu energía dos veces
Wynne afirma que: “El término 'centro de datos' es inapropiado en términos energéticos. Es más exacto llamarlos "centros de calor", que también pueden utilizarse para procesar y almacenar información. Cambiar el pensamiento de esta manera nos permite ser más creativos sobre cómo planificamos y gestionamos la construcción de centros de datos ahora y en el futuro”.
Las comunidades necesitan calor y la calefacción actualmente genera muchas emisiones. En el Reino Unido, por ejemplo, la calefacción representa alrededor del 37 por ciento de las emisiones totales. Parte de eso proviene del calor industrial de alta temperatura, pero más de la mitad es simple calefacción y agua caliente.
En este momento, la mayor parte de ese calor se genera directamente a partir de combustibles fósiles o de electricidad, gran parte de la cual también proviene de combustibles fósiles.
Para acercarse a las emisiones netas cero, la calefacción debe descarbonizarse, razón por la cual los gobiernos están tratando de eliminar gradualmente las calderas de gas y buscar fuentes de calor alternativas con bajas emisiones de carbono. Las bombas de calor eléctricas geotérmicas son una de esas fuentes, pero deben funcionar con energía renovable.
El calor producido por computación es efectivamente libre de carbono, porque es un subproducto de la energía utilizada en otros lugares.
Y si el calor se utiliza en otros lugares, podría decirse que anula la carga del cálculo sobre la infraestructura energética. Se obtiene 1kWh de computación a partir de 1kWh de energía que de todos modos se convertiría en calor.
En teoría, la demanda de calor residual casi no tiene límites.
Como Mark Bjornsgaard, director general de Deep Green Energy, observó en un podcast de DCD, que la necesidad total de calefacción de edificios en Europa es mucho mayor que la cantidad de energía utilizada en los centros de datos.
Por ejemplo, el Reino Unido utiliza alrededor de 434 TWh de energía para calentar los edificios cada año. La energía total utilizada en los centros de datos es una pequeña fracción de eso, estimada en alrededor de 2 a 3 TWh por año.
Eso supone entre 2 y 3 TWh de calor producido cada año en los centros de datos. Si todo eso pudiera usarse en calefacción, entonces, en un nivel, esos centros de datos posiblemente habrían logrado cero neto en su uso operativo de energía. Y como todavía se necesitan más de 400 TWh de calor, también hay margen para impulsar el auge proyectado de la IA.
Es una perspectiva tentadora, pero no tan fácil en la práctica, ¿o no?
La dificultad de las redes de calor
Los centros de datos llevan años ofreciendo su calor residual. Pero en realidad muy poco se utiliza con éxito.
Los centros de datos ofrecen un suministro de calor predecible porque mantienen sus servidores funcionando continuamente. Pero el calor es “de baja calidad”: es más cálido que caliente y se presenta en forma de aire, que es difícil de transportar.
Por tanto, la mayoría de los centros de datos expulsan su calor a la atmósfera.
A veces, existen redes de calefacción urbana, que proporcionan calor a los hogares y empresas locales a través de una red de tuberías. Si tu centro de datos está cerca de uno de estos, es cuestión de ampliarlo para conectarlo al centro de datos, y aumentar el grado de calor.
Pero debes estar en el lugar correcto para conectarte a uno. "Hay ciertos países que han establecido o desarrollado redes de calor, pero la mayoría no tiene una red de calor propiamente dicha, por lo que está funcionando de forma poco sistemática", dijo a DCD Neal Kalita, director senior de potencia y energía de NTT .
Es poco probable que se encuentre uno en EE.UU., afirma Rolf Brink, de la consultora de refrigeración Promersion: “Estados Unidos es un ecosistema fundamentalmente diferente. Pero Europa es mucho más densa en términos de población y hay más demanda de calor”.
Los países nórdicos tienen muchas redes de calefacción. Stockholm Data Parks es un ejemplo bien conocido: un campus de centro de datos en la zona urbana de Estocolmo, donde cada centro de datos tiene una conexión a la red de calefacción urbana y se le paga por su calor.
Alemania tiene algunas redes de calefacción y planea ampliarlas. El Reino Unido tiene algunos, pero la experiencia hasta ahora ha sido difícil.
"Creo que el desafío de los centros de datos que conectan su calor a las redes de calor es ¿cuándo estará operativa esa red de calor?", dice Kalita.
¿Cómo de bueno es tu calor?
Otro gran desafío es la calidad del calor: "No es lo que llamamos calor de alta calidad o calor de alta temperatura", dice Kalita. “No se puede ejecutar una red de calefacción completa a partir de la calefacción de un centro de datos. O necesitas instalar una bomba de calor y poner más energía para aumentar la temperatura, o la red de calefacción necesita tener algún tipo de fuente de calor”.
La red de calefacción debe estar muy cerca y el calor del aire caliente debe complementarse con otras fuentes de energía, como la quema de biomasa o el uso de una bomba de calor para elevar la temperatura hasta que pueda canalizarse al sistema.
En Suecia, por ejemplo, el experto en informática Cloud&Heat ha colocado un centro de datos que consta de dos contenedores refrigerados por líquido y equipados con 1.600 tarjetas gráficas de alto rendimiento justo en una instalación combinada de calor y energía (CHP).
El sistema CHP quema biomasa para producir calor y electricidad. Los sistemas Cloud&Heat utilizan parte de esa electricidad y el calor residual puede ir directamente al flujo de calor, por lo que no se desperdicia nada.
El calor de baja calidad es un problema menor con los nuevos sistemas de calefacción urbana de “cuarta generación”, que se han vuelto más adecuados para manejar el calor de baja calidad, a través de medidas como tuberías de polietileno, que pueden retener el calor del agua caliente.
Incorporar la agricultura
Por supuesto, los hogares en gran parte del mundo no necesitan tanto calor en verano. La respuesta es planificar y encontrar otros usos. La producción de alimentos tiene muchos procesos que necesitan calor, desde los invernaderos hasta las piscifactorías, la fermentación y la producción de queso. Incluso en países con veranos cálidos, dice Wynne, el calor aún se puede utilizar: “Cuando el clima se vuelve más cálido, por ejemplo, la energía se puede desviar de las casas a los sitios de fermentación”.
Green Mountain ha estado suministrando agua caliente desde su centro de datos en Noruega a una piscifactoría, la mina subterránea Lefdal en otras partes de Noruega hace lo mismo y el White Data Center en Japón, enfriado por nieve, utiliza su calor para cultivar anguilas.
Valorando tu calor
Otro problema es que, como los centros de datos ven el calor como un producto de desecho, no lo valoran. Las redes de calor son un negocio y esperan comprar calor de forma comercial a un proveedor comprometido con un suministro predecible. Quieren un acuerdo de compra de energía (PPA) para calefacción.
"Si firma un PPA de calor, entonces la expectativa es que proporcione ese nivel de calidad de calor y ese volumen de calor de manera constante", dice Kalita. “Pero hay ocasiones en las que los centros de datos dejan de funcionar, o un cliente se marcha, o es necesario renovar las instalaciones, y el calor disminuye.
"Cuando uno se compromete a proporcionar calefacción durante 10 a 20 años, eso puede limitar su flexibilidad".
Para algunos, eso no es insuperable. El consultor en reutilización del calor, David Gyulnazaryan, dijo a una audiencia en un centro de datos de Londres que el calor residual es "una fuente de calor altamente sostenible y confiable" y, si es necesario, puede ser "respaldado por la generación de energía en caso de falla, lo que da un nivel del 99,996 por ciento de confiabilidad".
En el aspecto financiero, Gyulnazaryan afirma que “el coste de convertir el calor de baja calidad del centro de datos es de aproximadamente 25 €/MWh, mientras que el precio del gas natural ronda los 200 €/MWh.
El potencial de ahorro monetario es enorme para los organismos públicos, especialmente cuando el suministro de gas natural se está reduciendo”.
Brink dice que es una cuestión de planificación: "Cuando se considera efectivamente durante la fase de construcción de una instalación de centro de datos, el calor puede ser un activo tremendo con reducciones fantásticas en su costo total de propiedad.
"Al elegir una ubicación para construir un centro de datos, la reutilización del calor no se tiene en cuenta la mayor parte del tiempo", afirma. "Si lo tenemos en cuenta, podríamos ubicar un centro de datos al lado de una piscina, o en las cercanías de algo que pueda usarse para el calor".
Y añade: "La discusión sobre la reutilización del calor está un poco desequilibrada simplemente porque mientras no se incluya en el alcance del sitio, no tendrá sentido discutirlo más adelante, simplemente porque no se está seleccionando un sitio para el propósito."
Las regulaciones promueven el intercambio de calor
El mayor problema de los sistemas de calefacción urbana podría ser que su implementación requiere una inversión enorme y muchos años. Algunos gobiernos locales y nacionales están interviniendo para fomentar el uso de redes de calor.
En la región de Ámsterdam (Países Bajos), los centros de datos deben diseñarse para poder conectarse a redes de calefacción urbana. Alemania tiene normas similares en todo el país consagradas en su recién aprobada Ley de Eficiencia Energética.
Esto no ha sido una cuestión sencilla: borradores anteriores del proyecto de ley exigían que las nuevas instalaciones construidas a partir de 2025 reutilizaran el 30 por ciento de su calor. La Asociación Alemana de Centros de Datos se opuso, y el acta final dice que los centros de datos de más de 200 kW sólo necesitan reutilizar el 20 por ciento de su calor, y no tienen que hacerlo hasta 2028.
La GDA todavía se opone, ya que este requisito limita efectivamente los centros de datos a ubicaciones donde existen sistemas de calefacción.
Benjamin Brake, jefe del departamento de Política Digital y de Datos del Ministerio Federal de Asuntos Digitales y Transportes (BMDV), admitió en la conferencia de la GDA que: “El uso del calor residual como único criterio para elegir una ubicación es problemático, especialmente cuando no existen requisitos ni obligaciones para los usuarios de calor residual”.
En el Reino Unido, según la Federación Nacional de Vivienda, existen alrededor de 14.000 redes de calefacción, en su mayoría pequeñas . El Fuel Poverty Action Group critica el estado de las redes de calefacción británicas, argumentando que los clientes nacionales tienen pocos derechos, ya que las redes no están reguladas. También son vulnerables a cortes y fuertes aumentos de precios, ya que la mayoría de las redes incluyen aportes de calor provenientes del gas natural, cuyo precio se ha disparado.
El Gobierno tiene en cartera nuevos proyectos de calefacción urbana por valor de casi 3.000 millones de libras (3.800 millones de dólares). Sólo un proyecto en Park Royal, con una subvención de 36 millones de libras (45,4 millones de dólares), pretende aprovechar el calor residual del centro de datos. No se encenderá hasta 2040 (ver recuadro).
Dado el enorme coste del proyecto y su largo plazo, muchos observadores han expresado al DCD dudas de que algún día se complete.
"Londres odia que se excaven carreteras", dice Kalita. "Imagínese tener que excavar la carretera para una nueva red de calefacción a lo largo de las distancias que tendrá que recorrer".
Otros tienen una cuestión más fundamental y se preguntan si debería hacerse.
"No estoy lo suficientemente cerca del proyecto para saberlo, pero cuando vi el costo lo pensé dos veces", dice Charlie Beharrell de Heata. "El costo de conexión por hogar, excluyendo cualquier TI o sobrecostos, es mayor que el costo total de la instalación de uno de nuestros sistemas".
Los sistemas de los que habla se denominan calderas digitales y hornos de datos.
Beharrell, junto con Bjornsgaard y un grupo de otras empresas, defienden un enfoque diferente. Podría ser más eficaz que las redes de calor, pero replantea el centro de datos.
El horno de datos
La idea de un horno de datos fue propuesta por primera vez por Microsoft en un artículo de 2011, escrito por un grupo que incluía a Sean James. La idea básica es colocar bastidores de servidores en hogares y oficinas donde su calor sea útil.
El desarrollo de la nube permite enviar trabajos útiles de forma cifrada al horno de datos. Los clientes pagan un precio por la informática que cubre la electricidad utilizada y el anfitrión obtiene calor gratis.
"En el clima más frío, alrededor de 110 placas base podrían mantener un hogar tan cálido como lo hace un horno convencional", dijeron los autores del artículo. “El resto del año, los servidores seguirían funcionando, pero el calor generado se expulsaría al exterior, tan inofensivo como el de una secadora de ropa”.
Varias empresas han desarrollado negocios en torno a esta idea, incluidas Qarnot en Francia y Cloud&Heat en Alemania.
La última generación de empresas de informática y calefacción distribuida en el Reino Unido incluye a Deep Green y Heata.
Deep Green coloca servidores con uso intensivo de computación en tanques de inmersión refrigerados por líquido, para que su energía térmica pueda canalizarse a los usuarios cercanos. Sus primeros clientes son las piscinas. Heata ofrece aparatos de calor para el hogar.
Ambos utilizan el mismo proveedor de nube, Civo, para enviar trabajos a sus unidades.
La idea tiene el potencial de superar a las redes de calefacción urbana, afirma Beharrell, porque “es mucho más barato y más fácil transferir los datos que el calor”.
Por ejemplo, se podrían instalar hornos de datos en cada vivienda de una urbanización, con necesidades mínimas de infraestructura. Las casas ya tienen luz.
Es posible que algunos necesiten actualizaciones de red, pero ese es un trabajo mucho más pequeño que tender tuberías desde un gran centro de datos, a través del sistema de calefacción, hasta cada casa.
Beharrell no cree que los dos enfoques estén reñidos y está feliz de ver que proyectos como la red de calefacción de Park Royal sigan adelante: "Creo que es bueno ser optimista y, sinceramente, es bueno para todos si sigue adelante".
Pero le gustaría ver una mayor conciencia sobre la posibilidad de distribuir realmente la informática, en lugar de generar calor: "Sería bueno ver una mayor inversión detrás de modelos más disruptivos en lugar de reforzar el status quo".
Decidir qué enfoque es mejor para una situación dada requiere un pensamiento genuinamente estratégico.
"Lograr las reducciones de carbono necesarias para 2050 significa un enfoque de sistemas completo", dice Wynn. "La integración de centros de datos en esto contribuiría en gran medida a lograr el éxito".